桩―土―隔震结构动力相互作用体系的非线性分析

提出了考虑土与结构动力相互作用的隔震结构的简化力学模型,建立了桩―土―隔震结构动力相互作用体系的串联质点模型和相应的动力微分方程。利用MATLAB软件编制了考虑SSI效应和不考虑SSI效应作用下隔震结构体系的动力分析程序,并针对某实际结构作出了相应的分析研究。     

成层地基–桩基–结构动力相互作用体系的计算分析

以一个1∶2大比例模型结构–地基的动力相互作用模型试验为基础,结合通用有限元程序MSC.Marc,对成层地基–桩基–结构动力相互作用体系进行了三维有限元分析。计算中采用考虑土非线性特征改进的黏弹性人工边界模拟外部土域,利用考虑动力相互作用中桩土分离、滑移以及桩基提离效应的接触模型反映桩土接触界面特性,并引入阻尼项表征桩土动力作用中的能量损耗,土体采用等效线性模型。通过计算分析与试验的比较研究,验证了计算模型和分析方法的合理性,进行了地震动输入下的地震反应分析,为地基–结构动力相互作用的进一步研究奠定了基础。     

SSI效应对隔震结构的地震响应及损伤影响分析

基于弹性地基梁理论和波动理论计算群桩-土地基对上部结构的动力阻抗,进而研究桩土-结构动力相互作用对高层隔震结构地震响应及非线性损伤的影响。首先计算桩周地基水平刚度系数,采用改良的Penzien模型将群桩等效为单桩,考虑一定桩长范围计算桩头的水平刚度,同时根据结构振动频率与地基基本频率的大小关系,考虑地基材料阻尼和辐射阻尼的影响。以某高层隔震工程为例,根据实际桩布置及土层分布情况计算地基阻抗,利用等效线性化模型对结构进行反应谱分析,计算结构隔震前后SSI效应对其动力响应的影响,再利用三维非线性损伤模型分析SSI效应对结构主要构件损伤的影响。计算结果表明,随着结构层数的增加,SSI效应的影响减小,考虑SSI效应会使隔震层位移和隔震支座面压利用率提高,而对隔震层上部结构的层间位移基本没有影响;考虑SSI效应后结构连梁的损伤减小,而框架柱和剪力墙这些竖向构件损伤增加;长周期地震动作用下结构的SSI效应更显著。     

考虑碰撞效应的土-单层隔震结构的损伤性能分析

建立考虑碰撞效应的土-单层隔震结构分析模型,采用利用离散弹簧模拟土-结构相互作用并采用Kelvin模型模拟了隔震层的碰撞受力行为特征,分别考虑上部结构及隔震层的非线性特性,采用Park-Ang损伤模型定义了上部结构的损伤指数,采用近远场地震波作为输入对土-隔震系统进行了弹塑性时程反应分析。研究结果表明:无论是否发生碰撞,SSI效应对隔震结构损伤有一定影响;当发生碰撞时,SSI效应的影响较为显著,且结构损伤值对近断层地震波较敏感。研究结果可为隔震结构计算分析提供参考。     

土-结构相互作用对隔震结构减震效果影响研究

为研究土-结构相互作用(SSI:Soil Structure Interaction)对隔震结构减震效果的影响,在考虑SSI地震动力反应的前提下,采用子结构方法,建立了隔震结构计算模型,并利用Matlab语言编制了求解软件。通过输入Elcentro波,得到结构在考虑SSI作用时的地震动力反应。对比是否考虑SSI的地震动力反应,分析结果表明:①对于不隔震的结构,考虑SSI作用时,地基土的作用类似于设置隔震层,基本上能使结构地震动力反应减小;②在软土地基上设置隔震层,可能对结构地震动力反应出现放大效应,而在坚硬土地基上设置隔震层,则类似于不考虑SSI作用情况;③基础宽度、基础埋深及基础重心高度等参数增加时,基本上都能使结构的鞭梢作用增强,使上半部分楼层加速度有放大的现象。     

土-结构相互作用对隔震体系的影响

为研究地基-结构相互作用效应对基础隔震结构隔震效果的影响,以多层带地下室的基础隔震平面框架为研究对象,运用ANSYS有限元分析软件建立二维有限元模型,采用黏弹性人工边界来模拟无限域介质对计算区域的影响,利用等效荷载波动输入方法来实现地震波作用下人工边界上的波动输入,通过对不同场地类别下结构的动力特性进行分析,研究了考虑SSI时结构的地震响应。结果表明,考虑SSI效应会减小结构的自振频率,增大结构的动力响应,场地土较软时尤其显著;考虑SSI效应能减小隔震层相对于基底的位移量;软弱地基会降低隔震效果。     

桩-土-桥相互作用对隔震连续梁桥地震响应的影响

随着隔震技术在桥梁结构中的广泛应用,建立合理的桥梁模型进行隔震分析十分重要。以某连续钢箱梁桥为对象,建立了墩底固结不考虑桩土、M法桩和非线性有限元桩的三种桥梁模型,通过对这三种桥梁模型进行隔震前后的地震响应分析,以研究桩-土-结构相互作用对不隔震和隔震桥梁的影响。研究表明:考虑桩-土相互作用对该桥梁隔震前、后的地震响应都具有较大的放大效应,非线性有限元桩桥梁模型的放大效应大于M法桩的桥梁模型;三种模型的隔震率相差不大,不考虑桩-土-桥梁结构相互作用不会对隔震率产生过大估计。     

考虑土-结构相互作用效应和隔震的核电结构振动台试验研究

土-结构相互作用(SSI)对结构地震响应有明显的影响。为研究SSI效应对核电结构的影响,选取第三代核反应堆AP1000安全壳结构为研究对象,制作了1/40的安全壳模型进行振动台试验,采用柔性土箱消除边界效应。试验结果表明：1)对于核电非隔震结构,考虑SSI会降低系统自振频率,上部结构加速度反应谱高频成分减少,峰值频率从高频向低频移动,土体表现出一定的隔震效果,降低了某些频率处的加速度谱响应;2)对于核电隔震结构,考虑SSI几乎不对自振频率产生影响,但SSI效应会削弱隔震效果以及会加大某些频率处的加速度响应。     

土-结构动力相互作用对基础隔震结构的影响

基础隔震结构作为一种有效的被动控制方式,已经被广泛用于建筑结构、桥梁、核电站等工程领域中。现有规范在对其进行理论分析时通常沿用刚性地基假定,忽略土-结构相互作用(SSI);实际上结构物如果不考虑SSI会给其动力特性及地震反应的计算带来较大失真;因而有必要研究SSI对基础隔震结构的影响。视地基为均匀、各向同性的弹性半空间,采用弹簧-阻尼系统对其进行模拟;运用ANSYS有限元分析软件建立结构三维有限元模型,对不同场地类别下结构的动力特性进行了分析,研究了考虑SSI时结构的地震响应。结果表明,考虑SSI时结构的动力特性、地震响应均会受到不同程度的影响。     

土-结构相互作用效应对长周期地震动下层间隔震结构减震性能的影响

考虑土-结构相互作用(SSI效应)的层间隔震结构减震机理及振动特性有别于底部刚接于地基的层间隔震结构。长周期震动具有的丰富低频成分、大的速度与加速度脉冲、明显谐波成份等特性,对考虑土-结构相互作用的层间隔震结构具有更为不利的影响。为此,基于集总参数S-R(Sway-Rocking)模型建立一幢大底盘层间隔震框架结构,考虑不同场地类别下的影响,分析多类型长周期地震动作用下土-结构相互作用隔震体系的动力响应规律。结果表明:SSI效应使层间隔震体系的刚度弱化,结构周期延长,致使长周期地震动下Ⅲ、Ⅳ类场地上的层间隔震结构弹塑性层间位移角增大,且随着土质的变软,层间位移角增大越明显,而SSI效应对峰值层间剪力影响不大。此外,远场长周期类谐和地震动作用下的楼层峰值加速度与隔震支座变形值也均有所放大,长周期地震动下考虑SSI效应隔震结构体系的减震效果变差。     

土-结构相互作用对滚珠隔震支座隔震效果的影响

以ANSYS软件为上部空间结构计算平台,建立包含土、隔震层、基础、空间结构在内的整体三维模型,并通过与框架结构和框架隔震结构的水平地震效应做对比,分析了土-结构相互作用对滚珠隔震支座隔震效果的影响.结果表明：在水平地震作用下土-结构相互作用在一定程度上减弱了滚珠隔震支座的隔震效果,因此在隔震结构设计中考虑土-结构相互作用的影响是十分必要的.     

长周期地震动下软土地基的偏心基础隔震结构振动台试验研究

远场长周期地震动使基础隔震结构地震响应强烈,且软土地基-结构相互作用（SSI效应）使隔震结构地震响应更大,而偏心基础隔震结构在双向水平地震作用下将发生扭转效应,极易导致隔震层位移增加。为研究远场长周期地震动下软土地基SSI效应对偏心基础隔震结构地震响应规律及减震效果的影响,对高宽比为3的4层荷载偏心钢结构缩尺模型进行刚性、软土地基上的双向振动台试验。结果表明:软土地基上结构采用隔震技术后,周期延长比低于刚性地基结构体系,使减震效果下降;SSI效应在一定程度上会降低结构层间扭转响应,但在隔震层会出现较大扭转角;与普通地震动相比,远场长周期地震动下SSI效应对隔震结构响应影响程度更大,隔震层位移可能超限,总体减震效果较差。建议为保证软土地基上基础隔震结构的安全,应考虑SSI效应后进行结构设计,且远场长周期地震动的不利影响不可忽视。     

Shaking table test of eccentric base-isolated structure on soft soil foundation under long-period ground motion

远场长周期地震动使基础隔震结构地震响应强烈，且软土地基-结构相互作用（SSI效应）使隔震结构地震响应更大，而偏心基础隔震结构在双向水平地震作用下将发生扭转效应，极易导致隔震层位移增加。为研究远场长周期地震动下软土地基SSI效应对偏心基础隔震结构地震响应规律及减震效果的影响，对高宽比为3的4层荷载偏心钢结构缩尺模型进行刚性、软土地基上的双向振动台试验。结果表明:软土地基上结构采用隔震技术后，周期延长比低于刚性地基结构体系，使减震效果下降；SSI效应在一定程度上会降低结构层间扭转响应，但在隔震层会出现较大扭转角；与普通地震动相比，远场长周期地震动下SSI效应对隔震结构响应影响程度更大，隔震层位移可能超限，总体减震效果较差。建议为保证软土地基上基础隔震结构的安全，应考虑SSI效应后进行结构设计，且远场长周期地震动的不利影响不可忽视。     

考虑SSI效应及支座转动的隔震体系性能研究

土-结构相互作用对结构的地震反应有着重要的影响。隔震支座竖向变形引起的隔震层转动会加剧上部结构的摇摆,进而放大结构的地震响应。提出基于Timoshenko理论的考虑SSI效应及隔震层转动影响的隔震结构通用计算模型,推导并求解结构运动方程,采用虚拟激励法进行随机响应分析,进一步研究隔震层转动刚度、土体参数等对隔震结构地震响应的影响规律。分析表明：SSI效应降低了隔震效果,其对隔震结构楼层转角位移放大的影响与土-结构刚度比有关。隔震层转动刚度变化对隔震结构顶层加速度、基底倾覆力矩等影响较小,但对结构楼层转角位移有较大影响,隔震层转动刚度取值较小时,上部结构楼层转角甚至会出现大于抗震结构的情况。     

远场长周期地震动下桩-土-层间隔震结构振动台试验研究

软土地基条件下土-结构相互作用(SSI)效应会对隔震结构的减震效果及动力特性产生影响。远场长周期地震动使隔震建筑这类长周期结构地震响应强烈,考虑SSI效应后地震响应可能更大。开展软土地基上层间隔震结构模型振动台试验研究,对比分析远场长周期和普通地震动下隔震层和隔震结构的楼层加速度和位移响应,研究远场长周期地震动下桩-土-层间隔震结构动力响应规律及减震效果。结果表明：软土地基具有明显的滤波效应,抑制高频分量,放大中低频分量;普通地震动下层间隔震结构的减震效果较显著,随着输入加速度峰值增大,减震效果降低,而远场长周期地震动下的层间隔震结构的减震效果比普通地震动下的差;基础及隔震层的转动效应明显,隔震层对基础转动有一定放大效应,远场长周期地震动下的隔震结构的放大效应较普通地震动下的明显,并对隔震层位移反应的影响较大。     

软土地基上高层隔震结构模型振动台试验研究

通过对高层隔震结构模型在刚性地基和软土地基条件下进行对比振动台试验,研究软土地基上高层隔震结构的地震反应特性和隔震效果。采用叠层剪切型土箱以减小边界影响,采用粉质黏土作为模型土,考虑基底压力的相似,采用高宽比为4的5层钢框架作为上部隔震结构模型,设计了软土地基上高层隔震结构、非隔震结构以及刚性地基上隔震、非隔震结构的振动台试验模型。试验结果表明：土-结构相互作用（SSI）效应对隔震结构的影响程度较非隔震结构轻;SSI效应显著降低了隔震结构模型的自振频率、增加了体系的阻尼;软土地基上隔震结构能够有效减轻结构的地震反应,但是相对于非隔震结构的加速度反应比值增大,隔震效果降低;SSI效应可能增加也可能减小隔震结构的地震反应,不仅与地震动类型有关还与输入地震动强度相关;软土地基上高层隔震结构基础输入地震动与自由场地震动在反应谱水平上基本一致,采用自由场地震动确定基础输入地震动是可行的,且偏于安全,而非隔震结构基础输入地震动则与地基更深层的地震动接近。     

地基-结构动力相互作用对基础隔震效果的影响

以多层基础隔震框架为研究对象,利用有限元分析方法,研究地基-结构相互作用效应对基础隔震结构隔震效果的影响。对考虑和不考虑SSI效应时隔震体系的动力特性和地震响应的差异进行对比,并对地基-结构相互作用效应各组成因素对隔震后地震响应的影响规律进行分析。分析结果表明,地基-结构相互作用效应对基础隔震结构存在影响,在工程设计中,隔震结构不应忽略地基-结构相互作用效应的影响。     

桩土作用对渡槽动力特性影响分析

现有的渡槽数值研究中,都将结构底部作刚接的简化处理,人为地增大了结构的刚度,与实际情况不相符合.本文基于势流体假设建立渡槽-水流固耦合二维联体式渡槽模型,分别计算比较刚性地基约束情况和考虑桩土作用的弹性地基约束情况下的渡槽结构在不同水深工况下的计算结果,分析各工况下土-结构相互作用的影响变化.结果表明,槽内水体作用和槽底桩土作用均使结构自振频率降低,并且前者对后者的影响不容忽视.     

Large‐scale shaking table test on pile‐soil‐structure interaction on soft soils

The two large‐scale shaking table tests of tall buildings on soft soils in pile group foundations are performed to capture the effect of the seismic pile‐soil‐structure interaction (PSSI) on the dynamic responses of the pile, soil, and structure. The two different model conditions are observed, including a fixed‐base structure and a structure supported by 3‐by‐3 pile group foundation in soft soil, representing the situations excluding the soil‐structure interaction (SSI) and considering the SSI, respectively. In the tests, the superstructure is a tall building with 12‐story reinforced concrete frame. The pile‐soil‐structure system rests in a shear laminar soil container, which is designed to minimize the boundary effects during shaking table tests. The two models are subjected to various intensity seismic excitations of Shanghai bedrock waves, 1995 Kobe earthquake, and 1999 Chi‐Chi earthquake events. According to the experimental and analytical results, SSI systems have longer natural periods than the fixed‐base structure. In addition, soft soil has amplification effect under smaller seismic excitations and isolation effects under larger earthquake intensities. The strain amplitude at the top of pile is large, and the strain at the middle and tip is relatively small. Whereas the contact pressure is small at the top of pile and large at the middle and tip. From the dynamic responses of the superstructure, it is found that the PSSI amplifies the peak displacements and interstory drifts of the structures supported by pile group foundations by comparing with the fixed‐base structure. Whereas the peak acceleration and interstory shear force of the structure are reduced considering seismic PSSI. The results show that the seismic SSI is not always favorable, however, it may increase certain dynamic responses of the structure. Consequently, the seismic SSI should be considered reasonably, providing insight towards the rational seismic design of buildings rested on soft soils.